3.4. Нейрофизиологические основы памяти, обучение и структура поведенческого акта
Основу адаптивного (индивидуального) поведения составляют два процесса — обучение и память. В нейрологической памяти выделяют генотипическую (врожденную) память, которая обусловливает становление безусловных рефлексов, инстинктов, импринтинга, и фенотипическую память, мозговые механизмы которой обеспечивают обработку и хранение информации, приобретаемой живым существом в процессе индивидуального развития. Обучение и память считают неотделимыми процессами. Обучение обеспечивает постоянное пополнение и изменение знаний, приобретение новых навыков. С физиологической точки зрения научение — это результат совпадения двух сознательных или бессознательных процессов в головном мозге. В отличие от обучения процессы памяти ответственны не только за усвоение (фиксацию) информации, ее сохранение, но и включают механизм воспроизведения (извлечения) информации. Благодаря механизму воспроизведения обеспечивается доступ и использование хранящейся информации. О механизме извлечения информации известно лишь то, что он основан на ассоциациях, подобных тем, какие образуются при научении. Исследование механизма индивидуальной памяти, по существу, представляет собой значительную часть области изучения механизмов различных видов обучения. Память и обучение имеют общую особенность — необходимость повторения. Как научение основано на многократном сочетании одних и тех же стимулов, так и для образования
следа памяти требуется повторение одной и той же информации.
3.4.1. Временная организация памяти
Первоначально по длительности хранения прошедших событий память рассматривали как два последовательных этапа — кратковременная память (КП) и долговременная память (ДП) и связывающий их процесс консолидации (постепенное самоусиление следа). Последующее накопление фактических данных привело к усложнению этой последовательной схемы (рис. 22) путем включения в нее сенсорной (перцептивной, иконической) памяти, представляющей собой непосредственный след возбуждения в сенсорной системе от внешнего воздействия.
Психологические исследования показали, что у человека процессы памяти проявляются в двух формах: логически-смысловой и чувственно-образной. Первая оперирует в основном понятиями и является высшей, вторая — представлениями. Чувственно-образная память подразделяется на зрительную, слуховую, вкусовую, обонятельную и другие виды. Кроме перцептивной, кратковременной и долговременной видов памяти была выделена промежуточная, или лабильная память, в которой осуществляется избирательное удержание информации на время, необходимое для выполнения текущей деятельности. Таким образом, процессы памяти человека проходят по крайней мере четыре стадии.
Сенсорная память связана с удержанием сенсорной информации (доли секунд) и служит первичному анализу и дальнейшей обработке сенсорных событий. Во время этой стадии непрерывный поток сигналов организуется в отдельные информационные единицы (через гностические нейроны), часть из которых
Рис. 22. Схема уровней памяти (по ГЛ. Вартапяну, М.И. Лохову, 1986)
получает доступ (ввод) в долговременную память (пунктирная линия на рис. 22), где она сохраняется неопределенно длительное время. Остальная информация из сенсорной памяти устраняется путем спонтанного разрушения или «стирания» при поступлении повой. Сенсорный след занимает больше времени, чем само воздействие, из-за задержек и переключений в центральной нервной системе. Поэтому длительность сохранения следов в сенсорной памяти составляет 0,1—0,5 с. Главной ее особенностью является относительно неограниченная емкость. Это обеспечивает возможность эффективного функционирования других видов памяти путем выбора, фиксации и переработки наиболее важной для организма информации.
Судьба отобранного для хранения материала определяется его характером. Невербальная информация из сенсорной памяти поступает во вторичную память (промежуточную), где она может храниться от нескольких минут до нескольких лет. Вербальная (речевая) информация передается в первичную (кратковременную) память — систему хранения (на период в несколько секунд) с ограниченной емкостью (примерно 7+2 бита). Вербальный материал требует более длительной «активации», повторения и, лишь пройдя повторные циклы через первичную память, поступает во вторичное хранилище. Эффективность переноса возрастает с увеличением времени обработки информации в первичной памяти. Существенным фактором в организации вторичной памяти является значимость информации для индивидуума. Эта особенность находит отражение в характере ошибок при воспоминании. Если во время считывания из первичной памяти ошибки состоят в использовании близких звуков, то при извлечении материала из вторичной памяти ошибки представлены конструкциями со сходными значениями. Во вторичной памяти фиксируются пространственно-временные отношения элементов материала, поступающего на хранение. Наиболее прочное удержание информации обеспечивает третичная (долговременная) память. Здесь фиксируются персональные данные, способность к чтению, письму, профессиональные навыки. Этот вид памяти более устойчив к мозговым повреждениям.
Психологические исследования последних лет подтверждают существование промежуточной или лабильной памяти. Действительно, как уже указывалось, объем краткосрочной памяти весьма невелик (7±2 единицы), хотя эти информационные единицы могут меняться в зависимости от организации материала; объем краткосрочной памяти явно недостаточен для обеспечения записи в долговременную память непрерывного потока важной внешней и внутренней информации. Принято считать, что промежуточная память обладает большей емкостью, чем кратковременная, и сохраняют информацию в течение нескольких часов без повторения. Существует предположение, что очищение регистра памяти происходит во время сна, когда кратковременная память не занята поступающей внешней информацией. Обработка и перевод информации из промежуточной в долговременную память — в два этапа. Первый этап — логическая обработка информации (происходит в период сна, дельта-сна). Второй этап — ввод обработанной информации в долговременную память (осуществляется в период быстрого сна, когда на ЭЭГ появляется активность, соответствующая состоянию бодрствования).
Для развития представлений о физиологии памяти имели существенное значение клинические и экспериментальные наблюдения о нарушениях или потере памяти на события, непосредственно предшествовавшие поражению мозга или электрошоковой терапии. Такой вид нарушения памяти получил название ретроградной амнезии. Самым распространенным способом вызова экспериментальной амнезии у животных является применение электроконвульсивного шока. Уже в первой работе СП. Дункана, опубликованной в 1948 г., было показано четкое ретроактивное действие электрошока на выработанный условный рефлекс. Градиент (длительность) ретроградной амнезии не превышал 10 м, выраженность амнезии была обратно пропорциональной величине интервала между завершением обучения и моментом нанесения электрошока. Амнестический эффект в значительной степени зависит от сложности навыка, которому животное обучалось. Например, для условнорефлекторного научения реакции избегания крысы максимальный амнестический эффект возникает, когда «конвульсии» следовали не позднее чем через 15 м после научения. Но эффект практически исчезает, когда интервал между выработанным условным рефлексом и амнестическим воздействием увеличивался до 1 ч. При этом забывание упроченных навыков не возникает. В последующих работах эти факты неоднократно подтверждались, хотя градиент ретроградной амнезии варьировал от долей секунд до многих часов. Ретроградная амнезия может быть следствием электрической стимуляции некоторых областей мозга человека и животных; она наблюдается в результате введения некоторых фармакологических (особенно наркотических) веществ, возникает также при гипо- и гипертермии, гипер- и анаксемии. При этом память на давно прошедшие события не страдает.
Таким образом, фенотипическая память человека и животных реализуется как минимум двумя мозговыми механизмами. Представление о двойной природе памяти было выдвинуто на основе психологических исследований ретроактивного торможения (забывания, возникающего в условиях интерферирующих воздействий). С физиологической точки зрения память стали рассматривать как развернутый во времени процесс, развивающийся в виде последовательности двух этапов кратковременной и долговременной памяти. Кратковременная память представляется как период неупроченных следов в нервной системе, подверженных «необратимым» разрушениям амнестическими воздействиями. Тот период времени, в течение которого след упрочивается, становится нечувствительным к внешним и интерферирующим воздействиям, составляет период консолидации.
Одной из первых гипотез о механизме кратковременной памяти является гипотеза реверберации. Анатомическим обоснованием этой идеи служили классические данные Лоренто де Но о наличии в ткани мозга замкнутых нейронных цепочек. Вполне допустимо, что по замкнутым нейронным сетям мозга может осуществляться реверберация (циркуляция) импульсной активности в течение нескольких минут. Этого времени повторного пробега импульсов по замкнутым нейронным контурам должно быть достаточно для синаптических процессов, переводящих динамический импульсный код в структурные изменения мембран постсинаптических нейронов.
Гипотеза реверберации как основа обучения в последние годы потеряла свою популярность. Возражения ряда исследователей сводятся к тому, что амнестические воздействия должны необратимо разрушать «реверберирующие следы» кратковременной памяти. В этом случае ретроградная амнезия и забывание должны стать необратимыми. Однако достоверно известно, что после амнестических воздействий, нанесенных в фазу формирования кратковременного следа после «конвульсий», постепенно происходит полное восстановление памяти на забытые события, воспоминание которых может быть ускорено методом «напоминания », кроме того, наблюдается восстановление памяти под воздействием второго электрошока, а также возможно самопроизвольное восстановление выработанного обучения. На основании этих фактов участие реверберационных процессов в механизмах памяти многими авторами полностью отрицается. Экспериментальные данные в пользу такого механизма памяти пока отсутствуют.
Относительно природы кратковременной памяти высказывается предположение о двухэтапном развитии ее процессов. Выделив собственно кратковременную память, устойчивую к электрошоку и гипоксии, и промежуточную, чувствительную к этим воздействиям, было показано, что в основе этих двух этапов краткосрочной памяти лежат разные по своей природе метаболические процессы, причем электрические сигналы запускают биохимические процессы.
Электрофизиологическими и биохимическими методами исследований было показано, что процессы развития кратковременных и долговременных следов могут возникать одновременно, сосуществуя в период образования и укрепления временной связи (энграммы). В то же время приводятся данные, что в ряде случаев на ранних стадиях обучения функционируют преимущественно механизмы кратковременной памяти, подготавливая основу для долгосрочного хранения условнорефлекторного замыкания. Специальные опыты показывают, что удельный вес этих видов памяти различен на разных этапах запечатления памятного следа, как, впрочем, различны и механизмы, лежащие в основе кратковременной и долговременной памяти.
В последние годы наибольшее предпочтение отдается гипотезам, представляющим память как единовременный процесс формирования и закрепления энграммы для длительного хранения. Развитию этих идей предшествовала работа A.M. Шнейдера и В.Б. Шермана, опубликованная в 1968 г. Применив методику реактивации следа памяти, они впервые показали, что для амнестического забывания существенным является не время между обучением и электрошоком, а время между воспроизведением следа памяти и электрошоком. Позднее различными экспериментами было показано, что электрошок может вызывать
амнестическое забывание даже прочных памятных следов, если он наносится сразу после стимула (например, условнорефлекторного сигнала), воспроизводящего давно выработанное обучение, т. е. активирующего следы памяти. Все эти данные интерпретируются как свидетельство того, что ретроградная амнезия в результате электрошока, а также, вероятно, из-за травматических повреждений является скорее результатом потери возможности воспроизведения следов памяти, чем нарушением механизмов кратковременной памяти.
Предполагается, что мнестическое забывание у человека также связано не с разрушением энграммы памяти, а с их временным переводом в под пороговое состояние, вследствие чего они становятся недоступными для произвольного извлечения. В то же время эти следы носят обратимый характер и при подсказке (методом «напоминания») или спонтанно могут актуализироваться.
По одной из гипотез, получивших широкий резонанс, ввод информации в мозг сопровождается возникновением энграммы. Эта энграмма сама по себе недолговечна и закрепляется лишь при достаточной интенсивности модулирующих процессов, вызванных воздействием сопутствующих неспецифических реакций (ориентировочных, эмоциональных). Закрепление осуществляется параллельно через соответствующие структурнобиохимические изменения на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. С точки зрения этой гипотезы кратковременная память представляет собой процесс затухания (при условии отсутствия или слабости неспецифической активации). Она участвует в закреплении энграммы за счет преобразования синапсов (избирательное повышение эффективности синаптической передачи), а также повышении возбудимости постсинаптических нейронов, задействованных данной информацией.
Другой привлекающий внимание вариант современной гипотезы, предложенной в 1984 г. И.А. Корсаковым и Н.К. Корсаковой, состоит в том, что фиксация следа памяти происходит «мгновенно», по типу импринтирования (запечатления, одномоментного обучения), а время, необходимое для упрочения знаний, требуется главным образом для формирования программы воспроизведения. Кратковременная память представляет собой следовое воспроизведение материала, уже зафиксированного в памяти (т. е. это тот этап, когда человек осознает информацию). В программу воспроизведения должны быть включены оценочные признаки (значимые, ситуационные, временные), а также эмоциональные характеристики информации. Сопутствующие признаки фиксируемой информации могут иметь ключевое значение в программе воспроизведения. Так, чтобы помочь вспомнить, пользуются методом «напоминания», подсказки. Животному обычно создают ту же экспериментальную ситуацию или предъявляют часть информации, или эмоциональный фон, на котором проводилось обучение. Авторы предполагают, что именно формирование программы воспроизведения и принимается нередко за процесс консолидации.
Таким образом, временная организация обучения и памяти — это не просто организованная во времени совокупность нейробиологических событий, а многокомпонентный процесс, включающий оценку значимости поступившей в мозг информации и реализацию организующей роли фактора времени. Традиционно выделяемые долговременная память и различные формы недолговременной памяти (сенсорная, кратковременная и промежуточная память) могут, по-видимому, рассматриваться как перекрывающиеся этапы жизни единой энграммы, складывающейся из специфических и неспецифических компонентов.